朱曉璐 王江云

①碩士研究生，②研究員，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所, 北京 100101

地磁場(chǎng)保護(hù)地球和大氣層免受宇宙輻射的侵襲，同時(shí)也對(duì)地球表面的各種生命活動(dòng)產(chǎn)生了潛移默化的影響。人類(lèi)在指南針發(fā)明之前似乎完全沒(méi)有意識(shí)到地磁場(chǎng)的存在，而以候鳥(niǎo)為代表的眾多生物，卻都擁有感應(yīng)磁場(chǎng)的神奇本能，它們與生俱來(lái)地懂得利用磁場(chǎng)力來(lái)定向。與人使用的機(jī)械指南針不同，藏在生物體內(nèi)的磁導(dǎo)航設(shè)備不僅能發(fā)現(xiàn)南北方向，還能測(cè)出當(dāng)前位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁傾角，并可用來(lái)粗略估計(jì)它與磁極之間的距離。如此先進(jìn)的生物指南針是如何發(fā)揮作用的？幾十年來(lái)，科學(xué)家們圍繞這一問(wèn)題進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的探索，現(xiàn)有的成果已將生物磁感應(yīng)現(xiàn)象的神秘面紗揭開(kāi)了一角。首先讓我們從磁場(chǎng)的性質(zhì)開(kāi)始逐節(jié)分析這種新感覺(jué)的奇妙之處。

1 什么是磁場(chǎng)

磁場(chǎng)是一種由運(yùn)動(dòng)的電荷和電場(chǎng)發(fā)生變化而產(chǎn)生的特殊物質(zhì)，能以機(jī)械力的方式作用于一定范圍內(nèi)的磁體或運(yùn)動(dòng)電荷。磁場(chǎng)在其作用的空間區(qū)域內(nèi)是連續(xù)分布的，具有大小和方向兩方面性質(zhì)，常用磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B來(lái)表示。很多物質(zhì)都能產(chǎn)生磁場(chǎng)，例如常見(jiàn)的磁石、磁鐵、通電導(dǎo)線等?？拷拇判晕镔|(zhì)能通過(guò)各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)給另一方施加磁力，從而引發(fā)物體間的位置移動(dòng)、形變等物理反應(yīng)。

眾所周知，構(gòu)成世間萬(wàn)物的基本單位——原子由原子核和核外自旋同時(shí)繞核旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子組成。每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電子都會(huì)產(chǎn)生磁矩，就好像有很多很小的磁鐵存在于各個(gè)原子核之間。但是電子在核外電子軌道中的分布具有規(guī)律性，大多數(shù)原子核外向上和向下自旋的電子數(shù)目相同，產(chǎn)生的磁矩全部抵消，使得該原子整體不帶有磁性，所構(gòu)成的物質(zhì)對(duì)外就表現(xiàn)為抗磁性。少部分順磁性物質(zhì)，如過(guò)渡元素、鋁、鉑等原子的核外電子分布沒(méi)有占滿(mǎn)軌道，原子核外自旋方向不同的電子產(chǎn)生的磁矩不能相互抵消，但在一般條件下，物體內(nèi)部原子之間趨向混亂的熱運(yùn)動(dòng)使得每個(gè)原子所帶的磁矩指向不同的方向，整個(gè)物體也不能表現(xiàn)出明顯的磁性。只有當(dāng)對(duì)順磁性物質(zhì)施加一定強(qiáng)度的外部磁場(chǎng)時(shí)，物體內(nèi)部的小磁偶極子受到磁力作用，趨向于沿著外加磁場(chǎng)磁感線的方向統(tǒng)一而整齊地排列，指向相同方向的原子磁矩相互疊加，使整個(gè)物體周?chē)霈F(xiàn)可檢測(cè)到的磁場(chǎng)，這個(gè)現(xiàn)象我們稱(chēng)作順磁性物質(zhì)的“磁化”。而鐵磁性物質(zhì)(鐵、鈷、鎳)具有自發(fā)磁化的特征，可以在微弱磁場(chǎng)的影響下自發(fā)地產(chǎn)生磁場(chǎng)，即使在外部磁場(chǎng)消失后，物體內(nèi)部的磁性也會(huì)保留下來(lái)。人們正是利用這個(gè)原理將鐵器磁化，制成了用于辨別方向的指南針。

地球也是個(gè)巨大的磁體(圖1)。地磁場(chǎng)在地核產(chǎn)生，穿越厚達(dá)2 900 km的地幔和17 km的地殼到達(dá)人類(lèi)和其他生物生活的地表，影響著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的生命現(xiàn)象。大多數(shù)人認(rèn)可用“發(fā)電機(jī)理論”解釋地磁場(chǎng)存在的原因，即外地核富鐵流體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，像磁流體發(fā)電機(jī)一樣消耗熱能產(chǎn)生變化的電流同時(shí)出現(xiàn)磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)強(qiáng)度在25～70 μT的范圍之內(nèi)，如果把地球看做一個(gè)磁偶極子，它的S極在地理北極附近，而N極在地理南極附近，地磁兩極連線“磁軸”與地球的自轉(zhuǎn)軸并不重合，有11.3°的夾角。用假想的磁感線描繪地磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度(規(guī)定小磁針 N極在磁場(chǎng)中受力方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，磁感線的密集程度反映了磁場(chǎng)強(qiáng)度)，可以看出，與條形磁鐵類(lèi)似地，磁感線由地磁N極發(fā)出，在太空中延伸數(shù)萬(wàn)公里形成“地磁圈引”，又重新聚攏于地磁 S極。正是這地磁場(chǎng)屏蔽了太陽(yáng)風(fēng)(從太陽(yáng)發(fā)出的強(qiáng)大帶電粒子流)對(duì)大氣層的破壞，像一頂“保護(hù)傘”罩在地球外面，使地表環(huán)境適合生物生存。

圖1 地磁場(chǎng)形態(tài)與條形磁鐵類(lèi)似

伴隨著生物綿延進(jìn)化數(shù)千萬(wàn)年的地磁場(chǎng)，對(duì)大多數(shù)生物體的生命活動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。趨磁細(xì)菌能利用磁場(chǎng)力定向和游移；蜜蜂、螞蟻等社會(huì)性昆蟲(chóng)利用磁場(chǎng)找到回家的路；蝙蝠、鼠類(lèi)利用磁場(chǎng)在黑夜中辨別方向；遷徙的魚(yú)類(lèi)、海龜和候鳥(niǎo)利用地磁場(chǎng)定向?qū)Ш?，每年飛越數(shù)千公里的遷徙路線找到適合過(guò)冬或繁衍的地方……中國(guó)古代人民早在兩千多年前的春秋時(shí)期就發(fā)現(xiàn)了磁體的磁性質(zhì)。成書(shū)于公元前6世紀(jì)的《管子·地?cái)?shù)》是最早記錄磁現(xiàn)象的古籍之一；戰(zhàn)國(guó)末年《呂氏春秋》記載“慈石召鐵，或引之也”，而西漢《淮南子》有云“其與銅則不通，求其引瓦，則難矣”，說(shuō)明古代人民已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石對(duì)金屬鐵獨(dú)特的吸引力?！妒酚洝し舛U書(shū)》最早闡述了人造磁體的制作工藝，在當(dāng)時(shí)主要用于棋子的制作。兩千多年來(lái)，磁性物質(zhì)得到人類(lèi)更廣泛的重視和應(yīng)用還有賴(lài)于指南針的發(fā)明。古人利用天然磁體兩極在地磁場(chǎng)磁力的作用下能分別指向地理南極和北極的性質(zhì)，制成了用于辨別方向的工具。目前經(jīng)過(guò)考證最早有關(guān)古代勺形指南針?biāo)灸系闹谱骱褪褂梅椒ǔ霈F(xiàn)在東漢王充的《論衡》中。經(jīng)過(guò)一千余年的發(fā)展，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，司南的使用在貿(mào)易和航海快速發(fā)展的宋朝得到了普及。北宋大科學(xué)家沈括在他的大作《夢(mèng)溪筆談》中詳細(xì)介紹了古代司南的四種架設(shè)方法、人工磁針的磁化工藝甚至還提到了有關(guān)磁偏角的發(fā)現(xiàn)。與沈括同時(shí)代的朱彧在《坪洲可談》一書(shū)中說(shuō)“舟師識(shí)地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦觀指南針”，這是司南運(yùn)用于海上旅行最早的記載。指南針在 13世紀(jì)經(jīng)由阿拉伯傳入歐洲，對(duì)之后的海外大探險(xiǎn)和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。事實(shí)上，最早使用指南針的還不是我們，很多動(dòng)物在人類(lèi)文明起源之前就會(huì)使用“指南針”來(lái)辨別方向。

2 帶著地圖和指南針旅行的鳥(niǎo)

經(jīng)驗(yàn)豐富的旅行家會(huì)在出發(fā)前做好充足的準(zhǔn)備，地圖和指南針是必不可少的裝備。地圖能夠準(zhǔn)確地反映旅行的起點(diǎn)、終點(diǎn)和路徑之間的空間分布；指南針因受磁力作用平行于地磁子午線的切線，兩端分指南北，可用來(lái)推知前行的方向。而候鳥(niǎo)在長(zhǎng)距離遷徙之前似乎并不會(huì)準(zhǔn)備這兩樣?xùn)|西，它們每年在南北跨越數(shù)千公里的越冬地和繁殖地之間來(lái)回飛行卻從不迷路。

鴻雁是中國(guó)常見(jiàn)的候鳥(niǎo)，也是鳥(niǎo)綱雁形目鴨科雁屬中體型較大的一種，善游泳、喜結(jié)群，每年9至10月從黑龍江、吉林等地大規(guī)模飛往長(zhǎng)江中下游及沿海省份過(guò)冬(圖 2)。遷徙時(shí)通常集中幾百甚至上千只個(gè)體，排列成整齊的“人”字、“一”字形隊(duì)伍緩緩前飛，甚為壯觀?！懊锨镏馒櫻惚保洗褐馒櫻銇?lái)”《呂氏春秋》中如此記載鴻雁的遷徙現(xiàn)象；古代民間更是有蘇武牧羊“鴻雁傳書(shū)”的奇妙傳說(shuō)。鴻雁每年在固定的時(shí)間遷徙，年復(fù)一年永不停歇，被認(rèn)為是儒家五?！叭?、義、禮、智、信”的美好象征。世界上遷徙距離最長(zhǎng)的候鳥(niǎo)應(yīng)屬北極燕鷗，這種鳥(niǎo)每年在北極附近繁殖，卻要穿過(guò)大西洋飛到南極海岸浮冰區(qū)過(guò)冬。另?yè)?jù)科學(xué)家的調(diào)查，目前飛行距離最遠(yuǎn)的鳥(niǎo)是一只海燕，它于 1982年在英國(guó)設(shè)得蘭群島耶爾桑德被套環(huán)，又于 2004年在納米比亞海岸被捕獲，遷徙距離長(zhǎng)達(dá)6 000英里(1英里≈1.609 km)。

圖2 鴻雁(學(xué)名：Anser cygnoides)，雁屬，善遷徙

鳥(niǎo)類(lèi)是怎樣在如此遙遠(yuǎn)的遷徙旅程中獲得方位信息的呢？德國(guó)科學(xué)家 Kramer的地圖羅盤(pán)理論或許可以解釋這一切[1]。研究證實(shí)，一些鳥(niǎo)體內(nèi)擁有一套完善的磁導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)敏銳地感知當(dāng)前位置的磁場(chǎng)性質(zhì)和非常細(xì)微的變化。簡(jiǎn)單來(lái)講就是可以把某一地點(diǎn)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁傾角看作是“路標(biāo)”，當(dāng)鳥(niǎo)經(jīng)過(guò)或在那里停留時(shí)，這個(gè)磁信息路標(biāo)會(huì)被大腦記錄下來(lái)，而飛行中實(shí)時(shí)感覺(jué)到的磁力方向可以指引它們前往這一路標(biāo)地點(diǎn)，這無(wú)異于揣了個(gè)精準(zhǔn)的“指南針”；飛行經(jīng)驗(yàn)豐富的成年鳥(niǎo)將一個(gè)個(gè)路標(biāo)和它們之間的距離、方向信息組合在一起，相當(dāng)于繪制了一張完整精細(xì)的“地圖”帶在身上。這樣子每只鳥(niǎo)都可以搖身一變成為聰明的旅行家了！

大量行為學(xué)實(shí)驗(yàn)從各個(gè)方面印證了地圖羅盤(pán)理論的正確性。有科學(xué)家在赤道附近制造了一個(gè)假磁極，成功誘騙了遷徙中的花園鶯飛向錯(cuò)誤的方向；還有一批研究人員在撒哈拉沙漠中設(shè)置了若干地磁路標(biāo)，在此放飛的夜鶯連續(xù)5天都沒(méi)能飛出沙漠；德國(guó)歌德大學(xué)的Wilschko將捕獲的歐亞鴝放入用電磁線圈纏繞的鳥(niǎo)籠中，發(fā)現(xiàn)小鳥(niǎo)的方向感出現(xiàn)混亂……

更多的研究者選擇飛行能力強(qiáng)且易飼養(yǎng)的家鴿為對(duì)象研究鳥(niǎo)類(lèi)的磁導(dǎo)航現(xiàn)象。人類(lèi)早在公元前1世紀(jì)就能馴養(yǎng)信鴿用于傳遞消息，五代后周王仁裕撰《開(kāi)元天寶遺事》稱(chēng)“家養(yǎng)群鴿，每與親知書(shū)信往來(lái)，只以書(shū)系鴿足上，依所教之處，飛往投之”。鴿子的歸巢欲很強(qiáng)，無(wú)論被帶出多遠(yuǎn)都能找回原棲息地，可以看出它們也有相當(dāng)發(fā)達(dá)的定向能力。如果將家鴿在封閉黑暗的條件下運(yùn)送至完全陌生的地點(diǎn)，所有的鴿子都能順利返回；若在運(yùn)輸過(guò)程中增加電磁干擾，在到達(dá)放飛地點(diǎn)后，有歸巢經(jīng)驗(yàn)的成年鴿可以很好地回歸，而幼鴿卻無(wú)法找到歸巢的路徑。這說(shuō)明，鴿子在運(yùn)輸途中，即使得不到任何視覺(jué)信息，也可通過(guò)記錄磁場(chǎng)的變化來(lái)明確歸巢的方向；若同時(shí)屏蔽了磁場(chǎng)信息，成年鴿可以利用根據(jù)飛行經(jīng)驗(yàn)形成的“導(dǎo)航地圖”來(lái)準(zhǔn)確無(wú)誤地確定鴿巢的方位，而幼鴿則會(huì)迷路了[2]。Kenton給鴿子攜帶上永磁體，在陰天放飛后，大多數(shù)鴿子無(wú)法正確歸巢[3]；Walcott 和Green在鴿子頭部安裝了一個(gè)可控的電磁線圈，同樣是令其在陰天飛行，他們發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)改變線圈的電磁場(chǎng)來(lái)控制鴿子飛行的方向[4]；Dennis用 GPS追蹤鴿子的飛行路線，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诳拷邏弘娋€、無(wú)線電臺(tái)等存在干擾磁場(chǎng)的區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)生定向混亂，而離開(kāi)異常區(qū)后一切又都恢復(fù)正常[5]。很顯然，磁感覺(jué)是屬于鳥(niǎo)類(lèi)五感之外的又一種新奇的“第六感”，它們能將來(lái)自視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和磁感覺(jué)的方向信息綜合起來(lái)加以分析整理，對(duì)前行的方向最終做出正確的判斷。

3 神秘的磁感應(yīng)現(xiàn)象從何而來(lái)

鳥(niǎo)類(lèi)為何能感受到磁場(chǎng)？半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，很多科學(xué)家為解決這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題付出了艱苦的努力。近幾年生物指南針的真面目終于浮出水面，解釋其作用機(jī)理的兩種假說(shuō)得到了大多數(shù)研究者認(rèn)可，它們分別是：“基于磁鐵礦的磁感受假說(shuō)”和“化學(xué)磁感受假說(shuō)”。

基于磁鐵礦的磁感受假說(shuō)認(rèn)為，鳥(niǎo)和其他能感受磁場(chǎng)的生物體內(nèi)某些細(xì)胞中含有成簇的微小磁鐵礦晶體顆粒，當(dāng)存在外部磁場(chǎng)時(shí)，磁鐵礦顆粒因被迅速磁化沿著磁力線方向整齊排列；這些磁晶體的簇陣列會(huì)隨著外磁場(chǎng)方向的變化而改變，不同程度地觸發(fā)下游的信號(hào)通路，將磁場(chǎng)信息逐級(jí)傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)[6]。關(guān)于內(nèi)生磁鐵礦微粒的研究，起始于在美國(guó)東海岸鹽沼沉積物中發(fā)現(xiàn)的趨磁細(xì)菌(圖3)[7]。這是一類(lèi)具有趨磁性行為的微生物，能夠沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。趨磁細(xì)菌通過(guò)生物控制礦化作用產(chǎn)生磁鐵礦晶體，并將其成簇地包裹在膜中，形成線形地排列于細(xì)胞壁附近的一連串“磁小體”結(jié)構(gòu)。富鐵的磁小體能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原壓力和鐵平衡，更重要的是，它借助磁性顆粒在磁場(chǎng)中受到的磁力，讓趨磁細(xì)菌運(yùn)動(dòng)起來(lái)。十幾年來(lái)，越來(lái)越多高等動(dòng)物被發(fā)現(xiàn)也能合成相同的磁鐵礦晶體，如蜜蜂、海龜、鱒魚(yú)和部分鳥(niǎo)類(lèi)。Beason于1984年指出“鳥(niǎo)類(lèi)嘴部篩竇部位含有大量磁鐵礦”[8]，2年后他又提出“長(zhǎng)刺歌雀篩竇內(nèi)磁鐵礦晶體含量足以作為磁羅盤(pán)使用”[9]。Winklhofer等人用電鏡觀察家鴿嘴部，發(fā)現(xiàn)了直徑1～2 μm的富鐵晶體顆粒，類(lèi)似的結(jié)構(gòu)隨后在歐亞鴝、花園鶯等其他鳥(niǎo)中也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。Wilschko和 Beason一起用短促?gòu)?qiáng)磁場(chǎng)處理不同種類(lèi)的候鳥(niǎo)，它們都出現(xiàn)了不同程度的定向障礙，推測(cè)是磁干涉改變了內(nèi)生磁鐵礦顆粒的磁化狀態(tài)，從而導(dǎo)致磁感應(yīng)體系發(fā)生混亂[10]。由此可見(jiàn)，以細(xì)胞內(nèi)磁鐵礦晶體簇為指針的磁定向理論是頗為可靠的。

圖3 趨磁細(xì)菌磁小體鏈[11]

化學(xué)磁感受假說(shuō)則認(rèn)為，生物體內(nèi)一種光敏感的色素蛋白，在受到特定波長(zhǎng)的光刺激之后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了一對(duì)臨時(shí)配對(duì)的自由基對(duì)；這個(gè)自由基對(duì)的自旋狀態(tài)能隨著磁場(chǎng)的變化而快速改變，令生物在第一時(shí)間感受到變化的磁場(chǎng)信息。Leask率先提出鳥(niǎo)類(lèi)的磁感應(yīng)功能是依賴(lài)于光照的[12]，隨后大名鼎鼎的Wilschko用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，部分鳥(niǎo)類(lèi)的磁辨向能力在僅有紅光照射的條件下大大減弱，而它們?cè)谒{(lán)綠光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光照下對(duì)方向的判斷最為準(zhǔn)確[13]。這暗示鳥(niǎo)類(lèi)的磁感應(yīng)需要一個(gè)對(duì)藍(lán)綠光敏感的蛋白來(lái)啟動(dòng)級(jí)聯(lián)的光感反應(yīng)。最近，一種藍(lán)光受體分子隱花色素蛋白(CRY)在鳥(niǎo)類(lèi)視網(wǎng)膜上被發(fā)現(xiàn)，它在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)的刺激下表現(xiàn)出不同的活性(圖 4)[14]。這種蛋白早在30年前Gressel對(duì)隱花植物光受體的研究中就有所提及[15]，Ahmad 和 Cashmore在1993年分離出了擬南芥CRY1基因，得知它編碼一種黃素蛋白，具有藍(lán)光受體的功能[16]，隨后Lin等在擬南芥中分離出了與CRY1有50%相似性的CRY2[17]。隱花色素蛋白長(zhǎng)久以來(lái)被認(rèn)為是參與調(diào)節(jié)植物的胚軸生長(zhǎng)、開(kāi)花時(shí)間和生理周期的信號(hào)分子，CRY1和CRY2的作用大體相同。近幾年的研究結(jié)果表明，隱花色素蛋白在果蠅、小鼠、牛、馬等大型哺乳動(dòng)物甚至人的視網(wǎng)膜中都有存在。Ahmad的擬南芥實(shí)驗(yàn)印證了隱花色素蛋白對(duì)變化磁場(chǎng)的敏感性：在藍(lán)光照射下，給擬南芥周?chē)由蠌?3～40 μT到500 μT逐漸增加的磁場(chǎng)，植物的發(fā)育表現(xiàn)出磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的下胚軸生長(zhǎng)抑制，而cry缺失突變體下胚軸的生長(zhǎng)不會(huì)受到磁場(chǎng)變化的影響[18]。Solov'yov等也通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有 CRY參加的高等植物其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也有不同程度磁場(chǎng)依賴(lài)性[19]。隱花色素蛋白在藍(lán)光激發(fā)下通過(guò)一系列電子傳遞步驟產(chǎn)生的自由基對(duì)，將外周磁場(chǎng)變化以電信號(hào)的形式反映出來(lái)。目前有關(guān)動(dòng)物體內(nèi)隱花色素蛋白作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)證據(jù)尚不足，但可以確定的是，這種在有磁感受能力的高等動(dòng)物中廣泛分布且高度保守的蛋白在生物的磁導(dǎo)航過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。

實(shí)際上，分別基于磁鐵礦和隱花色素蛋白的兩種磁感應(yīng)機(jī)制之間并無(wú)矛盾，少數(shù)生物的磁感應(yīng)僅涉及其中一種，而大多數(shù)則是兩者兼具，互為補(bǔ)充；兩種磁受體同時(shí)感應(yīng)磁場(chǎng)，再加上來(lái)自太陽(yáng)、星空和地面標(biāo)志物的視覺(jué)信息，使得生物辨別方向的準(zhǔn)確率大大提高。聰明的動(dòng)物如何將來(lái)自多個(gè)感官的方向信息整合起來(lái)？當(dāng)兩個(gè)生物個(gè)體靠近時(shí)，由潛藏在一個(gè)個(gè)體內(nèi)部的磁鐵礦產(chǎn)生的磁場(chǎng)是否會(huì)對(duì)另一個(gè)體產(chǎn)生影響？這能否成為不同物種之間身份識(shí)別的工具，或是同種生物內(nèi)部互相溝通的密語(yǔ)？目前還不得而知。

圖4 隱花色素蛋白(灰)及其內(nèi)部自由基對(duì)結(jié)構(gòu)：FAD(紅)-3色氨酸鏈(黃)[19]

4 人類(lèi)為何沒(méi)有地磁感應(yīng)能力

近些年來(lái)，越來(lái)越多的生物被發(fā)現(xiàn)有感應(yīng)磁場(chǎng)的能力，從最早的趨磁細(xì)菌，到有遷徙行為的候鳥(niǎo)、鱒魚(yú)、海龜和利用磁場(chǎng)定向的鴿子、蜜蜂、蝙蝠和老鼠；甚至那些既不遷徙也無(wú)需感知磁場(chǎng)的擬南芥、鼴鼠和大型食草動(dòng)物似乎也都能對(duì)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)。既然如此，人們很自然地聯(lián)想到：人類(lèi)是否也能感受到磁場(chǎng)呢？

很多科學(xué)家提出了肯定的假設(shè)：我們的視網(wǎng)膜細(xì)胞中含有豐富的隱花色素蛋白，從人腦提取物中也分離出了磁鐵礦晶體；Ritz更是將人CRY基因?qū)腚[花色素蛋白缺陷型果蠅中，確實(shí)令原先不能辨別方向的果蠅恢復(fù)了磁定向能力。而否定這一假設(shè)最簡(jiǎn)單而直接的證據(jù)就是，我們中間，至少是大多數(shù)人，在陌生的環(huán)境中，是無(wú)法僅靠這第六種感覺(jué)找到正確方向的。

“就算人有地磁感應(yīng)能力——我也不會(huì)靠它來(lái)分辨東南西北。”Ritz笑言。誠(chéng)然，人類(lèi)擁有良好的視力，習(xí)慣于白天活動(dòng)，并且長(zhǎng)途旅行時(shí)都會(huì)帶著真的“指南針”和“地圖”；或許我們的祖先也曾有過(guò)非凡的磁定向能力，但今天我們已經(jīng)不需要它了。研究人員猜測(cè)，和擬南芥類(lèi)似地，人類(lèi)擁有獲取磁信息的磁鐵礦和隱花色素蛋白，卻丟失了處理磁信息的完整系統(tǒng)；隱花色素作為接受光照調(diào)節(jié)生物鐘的工具被保留下來(lái)，而磁鐵礦可能僅僅是代謝產(chǎn)生的廢物。

5 地磁場(chǎng)消失了會(huì)怎樣

千百萬(wàn)年來(lái)，地磁場(chǎng)維持了地球生物賴(lài)以生存的自然環(huán)境，而今天在人們享受工業(yè)文明進(jìn)步所帶來(lái)的便利生活的同時(shí)，密集的電力設(shè)施、輸電線路和信息網(wǎng)絡(luò)所引發(fā)的電磁輻射污染問(wèn)題也漸漸凸現(xiàn)出來(lái)。雖然人類(lèi)既不需要憑借磁場(chǎng)力運(yùn)動(dòng)也不用靠感受磁場(chǎng)來(lái)辨別方向，但在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞、維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)的金屬離子、組成細(xì)胞骨架等重要結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)甚至遺傳物質(zhì)載體核酸都對(duì)磁場(chǎng)變化有十分敏感的響應(yīng)。另?yè)?jù)研究數(shù)據(jù)分析，地球磁場(chǎng)強(qiáng)度與160年前相比已下降了10%，這可能與地核巨型渦流反向旋轉(zhuǎn)有關(guān)。逆轉(zhuǎn)的漩渦持續(xù)擴(kuò)大將引起地球磁場(chǎng)方向的徹底改變。地磁南北兩極在600萬(wàn)年內(nèi)已發(fā)生3次大翻轉(zhuǎn)，最近的一回在 70萬(wàn)年前，考古資料顯示每一次磁極顛倒都與遠(yuǎn)古生物大絕滅在時(shí)間上有關(guān)聯(lián)。地球磁場(chǎng)方向在南北變換時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度接近零的空白時(shí)期，各種宇宙射線不受控制地橫掃地球表面，令生命遭受滅頂之災(zāi)。傳言恐怖的地磁倒轉(zhuǎn)在 2012年就會(huì)發(fā)生，引發(fā)世界末日的慘劇，而事實(shí)并非如此。剛剛平安度過(guò) 2012年的事實(shí)告訴我們，人類(lèi)離真正的末日還有一段距離。如何能阻止絕滅的災(zāi)禍，讓我們的種群長(zhǎng)長(zhǎng)久久地存在下去？這正是大量科學(xué)工作者常年奮斗的主題。

面對(duì)逐年減弱的地磁場(chǎng)和日趨復(fù)雜的磁環(huán)境，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了更多更復(fù)雜的生物磁效應(yīng)：他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中架設(shè)了不同強(qiáng)度、不同頻率、不同方向、不同變化趨勢(shì)的磁場(chǎng)，并在場(chǎng)中培育各種各樣的實(shí)驗(yàn)動(dòng)植物，觀察它們?cè)诋惓４艌?chǎng)中的生理活動(dòng)，由此也得出了五花八門(mén)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。亞磁空間模擬的是地磁場(chǎng)消失時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，目前采用線圈補(bǔ)償及金屬屏蔽的方法在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出一塊磁場(chǎng)強(qiáng)度接近零的無(wú)磁區(qū)域。工作人員通過(guò)對(duì)比暴露在亞磁空間中的生物與其生活在地磁空間中的同類(lèi)個(gè)體之間的差異來(lái)發(fā)現(xiàn)新的生物磁效應(yīng)。最早建立亞磁空間并嘗試在其中飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)兔子的是前蘇聯(lián)科學(xué)家，1979年，他們發(fā)現(xiàn)將空間磁場(chǎng)強(qiáng)度減至100 nT會(huì)使新生兔死亡率增加，同時(shí)存活幼兔的發(fā)育也受到負(fù)面影響[20]。后又有日本、烏克蘭、羅馬尼亞等國(guó)的科研人員分別嘗試在亞磁場(chǎng)中飼養(yǎng)大鼠、豚鼠、倉(cāng)鼠、小雞、鸚鵡等，均得出了類(lèi)似“活力下降”“激素水平失調(diào)”“神經(jīng)系統(tǒng)受損”“生殖能力減弱”的結(jié)果[21]。

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的莫煒川在老師的幫助下建立起一個(gè)亞磁場(chǎng)生物培養(yǎng)體系并實(shí)施了一系列細(xì)胞及整體水平實(shí)驗(yàn)，獲得了很好的結(jié)果。他首先在亞磁環(huán)境中培養(yǎng)了人類(lèi)神經(jīng)瘤細(xì)胞母細(xì)胞系(SH-SY5Y細(xì)胞)，觀察到胞內(nèi)微絲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞粘附和遷移能力下降但增殖速度加快；隨后他又將在亞磁場(chǎng)中處理2天的細(xì)胞與對(duì)照組的mRNA表達(dá)譜進(jìn)行比對(duì)，篩選出了一系列差異表達(dá)基因。莫煒川接下來(lái)觀察了非洲爪蟾在亞地磁場(chǎng)中的發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)爪蟾胚胎第三次卵裂的朝向發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)育畸形，他推測(cè)還是異常磁場(chǎng)影響了細(xì)胞分裂期紡錘體微管的組裝，引起卵裂溝朝向變化。莫煒川最后又根據(jù)他的地磁恢復(fù)實(shí)驗(yàn)首次提出了亞磁場(chǎng)的“近旁效應(yīng)”，即經(jīng)過(guò)亞磁場(chǎng)處理的細(xì)胞能以某種途徑作用于撤銷(xiāo)影響后新生的細(xì)胞，使之繼續(xù)保持在應(yīng)激狀態(tài)；這可能會(huì)使個(gè)體生理功能的恢復(fù)出現(xiàn)滯后性[22]。

習(xí)慣于生活在 50 μT地磁場(chǎng)環(huán)境中的人類(lèi)和其他生物，一旦被移入幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)的亞磁空間，都會(huì)出現(xiàn)一定程度的不良反應(yīng)，這說(shuō)明地磁場(chǎng)的存在是生物體保持正常代謝不可或缺的因素之一。實(shí)驗(yàn)生物在消失的磁場(chǎng)中所表現(xiàn)出的異常反應(yīng)給在地磁場(chǎng)中對(duì)生物磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究指明了方向；同時(shí)對(duì)亞磁空間生物效應(yīng)的探索也將為人類(lèi)日后脫離地磁場(chǎng)保護(hù)、開(kāi)發(fā)宇宙空間鋪平道路。

人類(lèi)關(guān)于磁場(chǎng)與生物的研究起始于半個(gè)世紀(jì)前，如今的研究結(jié)果已令部分曾經(jīng)的假設(shè)得到了證實(shí)：磁場(chǎng)，不僅是地磁場(chǎng)，對(duì)生物的生理活動(dòng)的確有明顯的影響；以候鳥(niǎo)為代表的眾多生物都擁有利用磁場(chǎng)力運(yùn)動(dòng)或是辨別方向的能力。但磁場(chǎng)究竟如何作用于生命活動(dòng)，而生物體又將如何處理來(lái)自磁場(chǎng)的信息，目前尚未能得出清晰的結(jié)論。大量的難題還等著未來(lái)的科學(xué)家們?nèi)ソ鉀Q，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，相信“第六感”的秘密終將大白于天下。

(2013年1月3日收稿)

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